包頭市高精度三維GPS控制網的建立及應用前景

戴利國　馬南　丁毅

摘要：本文主要闡述了包頭市高精度三維GPS控制網的建立及應用前景。

關鍵詞：高精度三維GPS控制網 基線解算 三維網平差

1 前言

隨著網絡技術、計算機技術、無線通訊技術近年來迅猛發展，大量數據實時傳輸和處理成為可能，一種高效、實時高精度定位方式——高精度三維GPS控制網系統應用而生。包頭市高精度三維GPS控制網項目是根據當前GPS技術的發展現狀及包頭市信息化建設的迫切需要，由包頭市測繪院聯合武漢大學測繪學院共同承擔的“十一五”基礎測繪項目。該項目的完成和應用極大地提高了基礎控制測量的作業效率，改變了傳統GPS RTK的作業模式，為建立包頭市地理空間基礎框架奠定了基礎，具有廣泛的應用前景。

2 包頭市高精度三維GPS控制網建立的主要目標

2.1建立包頭市統一的高精度坐標控制基本框架。

2.2首次建立與2000國家大地坐標系統（CGCS2000）相一致的包頭市高精度地心參考框架，構成包頭新一代“國家空間數據基礎設施（NSDI）”的框架設施，為包頭市信息化建設提供基礎保障。

2.3獲取包頭市各平面坐標系下的高精度平面坐標，為城市坐標系統向地心基準轉變提供技術準備。

3 包頭市高精度三維GPS控制網數據處理的內容

3.1高精度GPS控制網的基線處理，主要包括：數據整理、基線處理與基線檢核等。

3.1.1數據整理是進行基線解算之前的一項重要工作，主要包括以下幾項工作：

a 清查框架點編號。

b 根據所用計算軟件的要求，列出并仔細檢查天線高的量測方法及天線類型。

c 為了軟件基線處理的方便，數據處理前，應將接收機采集的原始數據按要求進行格式轉換。

d 下載所選取的全球站數據及精密星歷，并對全球站坐標進行框架及歷元改算。

3.1.2基線處理

基線處理采用雙觀測值解算，正確修改觀測數據中的跳周和刪除大殘差觀測值的數據。對于質量差的站進行人工數據編輯。數據編輯工作完成后，生成干凈的觀測數據文件，用于每時段基線解算。

3.1.3基線檢核

重復各時段解向量的重復性反映了基線解的內部精度，是衡量基線解質量的一個重要指標，其定義為：R=nn+li=lnci-c δ i22i=lnl δ i2 12

式中：ci是各時段解基線的各分量，δ i2是相應分量的協方差，c為相應基線分量的加權平均值，R為相應的重復性。

3.2CGCS2000坐標系下的三維網平差

三維網平差包括三維無約束平差和三維約束平差。三維無約束平差的目的主要有以下三個方面：一是進行初差分析；二是調整觀測量的協方差分量因子；三是對整體網的內部精度進行檢驗和評估。三維約束平差的目的是將全面網重新作為整體平差。將全面網的所有獨立基線向量及其經調整后的協方差陣作為觀測量，平差時為消除星歷和網的傳遞誤差引起的整網在尺度和方向上的系統偏差，應對全面網加一個尺度和三個轉換參數。

3.3平面直角坐標系下的二維網平差

為了保證C級網與包頭平面坐標系統的融合，需聯測1954年北京坐標系、1980年西安坐標系、包頭53獨立坐標系和包頭97獨立坐標系控制點。為了保證成果的精度，需對所聯測的1954年北京坐標系、1980年西安坐標系、包頭53獨立坐標系和包頭97獨立坐標系控制點成果的兼容性進行檢核，檢核采用剔點法和加點法。

3.3.1剔點法的基本思路：

a 利用所有控制點的CGCS2000成果和54/80成果，采用四參數模型，求WGS84坐標到1954年北京坐標系、1980年西安坐標系、包頭53獨立坐標系和包頭97獨立坐標系的轉換參數。

b 利用所求得的轉換參數將參與求轉換參數點的CGCS2000坐標轉換到1954年北京坐標、1980年西安坐標、包頭53獨立坐標和包頭97獨立坐標。

c 求轉換所得的1954年北京坐標、1980年西安坐標、包頭53獨立坐標和包頭97獨立坐標與已知的1954年北京坐標、1980年西安坐標、包頭53獨立坐標和包頭97獨立坐標的殘差。

d 剔除殘差最大的點，重新執行a.b.c步驟，直到所有參與求轉換參數點的點位殘差小于2cm。

3.3.2剔點法的基本思路：

a 找出可靠性最好的兩個點，利用四參數模型求CGCS2000坐標到1954年北京坐標系、1980年西安坐標系、包頭53獨立坐標系和包頭97獨立坐標系的轉換參數。

b 利用所求得的轉換參數將所有控制點的CGCS2000坐標轉換到1954年北京坐標、1980年西安坐標、包頭53獨立坐標和包頭97獨立坐標。

c 求轉換所得的1954年北京坐標、1980年西安坐標、包頭53獨立坐標和包頭97獨立坐標與已知的1954年北京坐標、1980年西安坐標、包頭53獨立坐標和包頭97獨立坐標的殘差。

d 找出殘差最小的點，加入求轉換參數的中點，重新執行a.b.c步驟，直到所有參與求轉換參數點的點位殘差小于2cm。

4 結果與分析

包頭市高精度三維GPS控制網布設均勻，結構合理，數據處理模型嚴密，綜合了多種精密數據處理技術，獲得了精度很高的結果。GPS網的三維約束平差結果建立了包頭市在CGCS2000坐標系統下的三維地心坐標基準。通過整體平差，求出了GPS控制點的1954年北京坐標系、1980年西安坐標系、包頭53獨立坐標系和包頭97獨立坐標系坐標。高精度控制坐標點為今后基礎測繪基準的最終建立提供科學的依據，也為高精度、高分辨率似大地水準面的建立提供均勻、可靠和精確的數據。

5 應用前景

5.1可降水汽預報的應用

目前氣象上獲取水汽資料主要依賴常規的探空站網，對于尺度很小或在兩次觀察間隔期間內快速生成、發展、消亡的暴雨等災害天氣，常規方法根本無法觀測到。應用高精度三維GPS控制網可以提供全方位的可降水汽的變化信息，分辨率可從傳統的12小時采樣一次提高到30分鐘一次，從而能提供更早、更準、更細的短期天氣預報。

5.2防災減災的應用

地殼運動是一個緩慢的、微小的變化過程。以往應用常規大地測量方法對地殼運動進行監測，經過長期艱苦的努力，最后的測量成果在精度、連續性和覆蓋范圍方面都難以取得令人滿意的結果。高精度三維GPS控制網的建立，從根本上突破了常規大地測量的局限性，使測定各種尺度、各種時間分辨率地殼運動以至準實時監測成為可能。這種技術已被世間上許多國家和地區用來監測火山地震、構造地震和板塊運動的重要方法。

5.3水利建設的應用

高精度三維GPS控制網可為水利建設提供高精度、實時、動態、可靠的數據源，如對水庫大壩形變進行監測。水庫由于所蓄水的重壓可能使大壩產生形變，為了大壩的安全，水利部門需要對大壩的形變進行連續而精密的監測。利用高精度三維GPS控制網，可在遠離大壩體的適當位置選擇一參考站，并在大壩形變區域選擇若干監測點，分在參考站和監測點上分別安置GPS接收機，進行連續自動觀測，實時地將監測數據傳送到數據處理中心，以進行處理和分析，從而實現對水庫大壩的實時監測。

5.4交通管理和智能交通的應用

自20世紀90年代以來，電子信息技術越來越多地應用到交通運輸領域，并逐漸形成一個嶄新的工程領域——智能運輸系統。ITS采用先進的電子、信息、通信等高新技術，對傳統的交通運輸系統及管理體制進行改造，從而形成一種信息化、智能化、社會化的新型現代交通系統。發展ITS所需的主要技術包括：互聯網技術、GPS技術、GIS技術、信息自動采集技術、航位推算技術、智能信號控制技術、信息系統集成技術和網絡軟件技術等，其核心部分就GPS技術。21世紀，以GPS為基礎的道路引導/車輛導航系統已成為最大的ITS用戶市場，該系統將有更多機會開辟新的更為廣闊的市場。

5.5農林領域中的應用

5.5.1精細農業的應用

農業生產中增加產量和提高效益是根本目的。要達到增產高效的目的，除了種植高產作物，加強田間管理技術措施，弄清土壤性質，監測農作物產量、分布，合理施肥及噴灑農藥等也是農業生產中重要的管理技術。利用GPS技術，配合遙感技術（RS）和地理信息系統（GIS），就能夠做到監測農作物產量及分布，分析土壤成分，做到合理施肥、播種和噴灑農藥，降低成本，達到增加產量提高效益的目的。

5.5.2林業的應用

將GPS測量技術應用在林業工作中，能夠快速、高效、準確地提供點、線、面要素的坐標，完成森林調查與管理中各種境界線的勘測測繪與放樣定界，成為森林資源調查與動態監測的有力工具。同時，在確定林區面積，估算木材量，計算可采伐森林面積，對森林火災周邊測量，尋找水源等方面發揮重要的作用。

6 結束語

地理信息是人們認識世界、利用自然不可缺少的媒介，是經濟社會發展的基礎性、戰略性資源。包頭市高精度三維GPS控制網是包頭市地理空間基礎框架工程的重要組成部分，也是包頭市地理空間基礎框架數據的基礎。包頭市高精度三維GPS控制網的建立，將大大提高測繪生產效率，加快基礎地理信息數據的更新速度，同時在氣象、水利、交通、國土資源管理、農林、生態環境保護、防災減災、及科學研究等方面的具有廣泛的應用前景。